JP6207833B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換性能に優れた配管構造を有する熱交換器に関するものである。

クーリングタワー等に用いられている熱交換器の熱交換部の配管は、一般的に、例えば図１（特許文献１参照）に見られるように、等間隔に並べられたストレート管とその両端を繋いでいるＵ字管で構成され、それらの折り返し構造となっている。そして、組み合されたストレート管とＵ字管の有効長さを長くすることにより、熱交換性能を高めている。

これら熱交換器を構成するストレート管とＵ字管としては、加工面、価格面だけではなく、熱交換性能の点から、従来から銅管が用いられている。
しかしながら、銅には腐食性の問題があり、高寿命化の観点から、近年、素管としてステンレス鋼管を用いようとする提案もなされている。

特開平５−１５７４６８号公報

ところで、一般的に、熱交換器に使用されているストレート管とＵ字管には、同径の管が用いられている。しかし、ステンレス鋼管は銅管と比べて加工性が悪いため、Ｕ字管の曲げ半径（Ｒ）が大きくなる。熱交換器としてのストレート管とＵ字管の組み付け領域には限りがあるために、加工性が悪いステンレス鋼管を用いようとすると、曲げ半径（Ｒ）を小さくすることができず、一定な面積当たりの前記折り返し数が減少する。このため、図１に示す外寸Ａ、Ｂが同じ場合は熱交換性能が劣ることになる。また、銅管と同じ熱交換性能とするためには有効長さが長くなり、熱交換器外寸が大きくなってしまう。

また、ステンレス鋼そのものが銅と比べて熱伝導性が低いために、銅製の熱交換器と比べてステンレス鋼製の熱交換器は、熱交換性能が低くなっている。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、銅と比べて熱伝導性や加工性に劣るステンレス鋼管を用いた熱交換器であっても、熱交換性能の低下を極力低減することが可能な配管構造を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器の配管構造は、その目的を達成するため、等間隔に並べられたステンレス鋼製のストレート管とその両端を繋いでいるステンレス鋼製のＵ字管で構成され、それらの折り返し構造を有する熱交換器であって、前記Ｕ字管として、その開口端に拡管加工が施され、かつ拡管部が互いに近づくように偏芯されたＵ字管が前記ストレート管と繋げられた構造を備えていることを特徴とする。
この場合、ステンレス鋼製のストレート管とＵ字管は、同径であってもよいし、Ｕ字管の方の径を細くしたものであってもよい。

また、本発明の熱交換器の配管構造は、等間隔に並べられたステンレス鋼製のストレート管とその両端を繋いでいるステンレス鋼製のＵ字管で構成され、それらの折り返し構造を有する熱交換器であって、前記Ｕ字管として、前記ストレート管よりも径が細く、ストレート管の限界曲げ半径よりも小さい曲げ半径まで曲げられたＵ字管が前記ストレート管と繋げられた構造を備えていることを特徴とする。
ここで、限界曲げ半径とは、曲げ加工部の内側に「しわ」や、曲げ加工部の外側に「割れ」等の成形不良が発生せずに、良好な曲げ加工が行える最小の曲げ半径のことである。
この場合、Ｕ字管が、その開口端に拡管加工が施されているＵ字管であってもよい。さらに、Ｕ字管の開口端が互いに近づくように偏芯されたものであることが好ましい。
上記二つのうちのいずれの場合であっても、ストレート管が、その開口端に縮径加工が施されているストレート管であってもよい。

本発明では、等間隔に並べられたステンレス鋼製のストレート管とその両端を繋いでいるステンレス鋼製のＵ字管で構成され、それらの折り返し構造を有する熱交換器において、前記Ｕ字管として、その開口端に拡管加工が施され、かつ拡管部が互いに近づくように偏芯されたＵ字管を用いているか、前記ストレート管よりも径が細く、ストレート管の限界曲げ半径よりも小さい曲げ半径まで曲げられたＵ字管を用いている。
このため、ストレート管の配置間隔を狭くすることができ、その結果として、配管の有効長さが長くなって、銅管を用いた熱交換器の外寸と同等以下の大きさで熱交換性能を向上させたステンレス鋼管製の熱交換器を提供することができる。

熱交換器の一般的な構造を説明する図 熱交換器のストレート管とＵ字管の一般的な接合部構造を説明する図 熱交換器の本発明構造を説明する図（その１） 同板厚金属管における限界成形範囲を説明する図 本発明を適用した熱交換器の構造を説明する図 熱交換器の本発明構造を説明する図（その２） 熱交換器の本発明構造を説明する図（その３） 性能評価を行った設備寸法を説明する図 熱交換器のU字管に小径管を採用した構造を説明する図 熱交換器のU字管に同径管を採用し開口端が互いに近づくように偏芯された構造を説明する図

前記しているように、熱交換器の熱交換部の配管は、一般的に、例えば図１に見られるように、等間隔に並べられたストレート管とその両端を繋いでいるＵ字管で構成され、それらの折り返し構造となっている。そして、ストレート管とＵ字管の繋ぎ部は、図２ａ）に示すように、Ｕ字管の管端開口部に拡管加工が施され、この拡管部にストレート管の管端が挿入されて、重ね合わせ部がＴＩＧ溶接やろう付けにより接合されている。図示していないが、ストレート管のほうを拡管加工し、その拡管部にＵ字管の管端を挿入してもよい。また、図２ｂ）のように、拡管部を設けずに、ストレート管とＵ字管を突合せ溶接する場合もある。
ところで、上記のような配管構造を有する熱交換器にあっては、その熱交換性能は、熱交換器を構成する素材の熱伝導性と配管の有効長さに依存し、熱交換性能を高めるためにはＵ字管の曲げ半径（Ｒ）を極力小さくしてストレート管の配置間隔を小さくすることが有効である。

しかしながら、ステンレス鋼管は銅管と比べて加工性が低いため、熱交換器をステンレス鋼管化すれば、Ｕ字管の曲げ半径（Ｒ）が大きくなり、その結果、ストレート管の配置間隔が大きくなって熱交換性能が低下することになる。
そこで、図３に示すように、Ｕ字管の端部開口に拡管加工を施すとともに、二つの拡管開口部を互いに近づくように偏芯させることとした。そして、偏芯させた拡管開口部にストレート管の管端を挿入し、挿入嵌合部を従来の接合手段により気密接合すればよい。
このような断面構造とすることにより、ストレート管の配置間隔を狭くすることができ、その結果として、配管の有効長さが長くなり、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。
なお、Ｕ字管とストレート管の径の関係については、図３に示すように同径であってもよいし、後記の図６ａ）に示すように、Ｕ字管の径がストレート管の径よりも小さいものであってもよい。

ところで、金属管に曲げ加工を施す際、図４に見られるように、同一板厚の場合は素管の直径が大きいほど、限界曲げ半径（Ｒ）は大きくなる。逆に言えば、素管として直径の小さいものを用いれば、曲げ半径（Ｒ）の小さい曲げ加工を行うことができる。
そこで、ストレート管の径よりも径が小さいステンレス鋼管をＵ字管用とし、その管を径が大きいストレート管用ステンレス鋼管の限界曲げ半径よりも小さい曲げ半径（Ｒ）まで曲げ加工を施してＵ字管とすることにした（図５参照）。

ストレート管とＵ字管の接続態様は、前記の接続態様と同様である。図６ｂ）に示すように、Ｕ字管の端部開口に拡管加工を施す。さらに、図６ａ）に示すように、拡管加工が施された二つの拡管開口部を互いに近づくように偏芯させることが好ましい。そして、拡管開口部にストレート管の管端を挿入し、挿入嵌合部を従来の接合手段により気密接合する。Ｕ字管端部開口の拡管度合が小さい場合には、ストレート管の管端にＵ字管の拡管部を挿入してもよい。
図５に示すように、小さい曲げ半径（Ｒ）で曲げ加工を施した小径のステンレス鋼管をＵ字管として用いているため、大きな曲げ半径（Ｒ）のＵ字管を用いた場合と比べてストレート管の配置間隔を小さくすることができ、前記と同様、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。

なお、Ｕ字管として小径管を用いる場合、図７ａ）に示すように、ストレート管の開口端部に縮径加工を施し、何らかの接合手段により、同径となった互いの開口部を気密接合してもよいし、図７ｂ）に示すように、ストレート管の開口端部に縮径加工を施すとともに、Ｕ字管の開口端部に拡管加工を施し、Ｕ字管の拡管部にストレート管の縮管部を挿入し、挿入嵌合部を従来の接合手段により気密接合してもよい。
さらに、図としては示していないが、ストレート管の開口端部に縮径加工を施し、この縮管部にＵ字管の管端部を挿入し、またはＵ字管の管端部にストレート管の管端部を挿入し、挿入嵌合部を従来の接合手段により気密接合してもよい。

設備のユニット幅556mmに対して熱交換用配管の配列数増加を検討した（図８参照）。素材にはフェライト系ステンレス鋼（22Cr‐0.2Ti‐0.2Nb‐1Mo Hv170）を用いた。

比較例１；
従来構造は、ストレート管およびU字管共にφ19.0×ｔ0.5を採用しており、曲げ半径がR＝32mmと大きく、本ユニット幅に対して9本の熱交換用配管を配置した構造である。

製造例１；
ストレート管としてはφ19.0×ｔ0.5を、U字管としてはφ12.7×ｔ0.5を採用した曲げ半径R＝20mm の熱交換器を製作した。U字曲げ管に小径管を採用したことにより加工可能な曲げ半径が小さくなり、その結果13本の熱交換器用配管を配置することが可能となった。これにより、熱交換性能は従来品に比較して1.4倍の性能向上が可能となった（図９参照）。

製造例２；
ストレート管およびU字管は従来品と同様にφ19.0×ｔ0.5を採用し、更に曲げ半径も従来品と同様のR＝32mmとした。その後、U字管の軸心を内側へ片側6mm偏芯加工し、ストレート管と接続した。その結果13本の熱交換器用配管を配置することが可能となった。これにより、熱交換性能は従来品に比較して1.4倍の性能向上が可能となった（図１０参照）。

Claims (3)

1. 等間隔に並べられたステンレス鋼製のストレート管と、その両端を繋いでいるステンレス鋼製のＵ字管とで構成され、それらの折り返し構造を有する熱交換器であって、
   前記Ｕ字管は、
   曲げ部分と、
   前記ストレート管が挿入される直線状の拡管開口部と、
   前記曲げ部分に連なるとともに、前記曲げ部分と前記拡管開口部との間に設けられる直線状部分とを有し、
   前記Ｕ字管には、前記拡管開口部の開口端が互いに近づくように偏芯拡管加工が施されており、前記拡管開口部の中心軸と前記直線状部分の中心軸とは互いに偏芯する熱交換器。
2. 前記ストレート管と前記Ｕ字管が同径である請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ストレート管が、その開口端に縮径加工が施されている請求項１又は２に記載の熱交換器。

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